徐欽煒 呂利民 張俊強(qiáng) 王亞?wèn)| 李巖

摘 要 針對(duì)城市軌道交通供電設(shè)備計(jì)劃維修模式逐漸暴露出維修不足和維修過(guò)剩的問(wèn)題，以及設(shè)備的老化和失效無(wú)法實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)的現(xiàn)狀，本文采取多種方式對(duì)多種設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析，形成城市軌道交通供電系統(tǒng)設(shè)備性能的狀態(tài)評(píng)估和服役壽命的預(yù)測(cè)，在保證城市軌道交通供電系統(tǒng)可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)上，為城市軌道交通供電系統(tǒng)設(shè)備的維修策略提供可行性建議，改善目前城市軌道交通供電系統(tǒng)的檢修模式。

【關(guān)鍵詞】城市軌道交通 供電設(shè)備 狀態(tài)評(píng)估 壽命預(yù)測(cè)

近年來(lái)，城市軌道交通成為解決我國(guó)現(xiàn)代城市交通擁堵問(wèn)題的主要工具之一，在我國(guó)快速發(fā)展。而供電系統(tǒng)是城市軌道交通系統(tǒng)的重要組成部分，其運(yùn)行可靠性和安全性直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。隨著軌道交通進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營(yíng)階段，供電設(shè)備的運(yùn)行維修決策問(wèn)題也越來(lái)越突出，當(dāng)前供電設(shè)備采用的計(jì)劃維修模式逐漸暴露出維修不足和維修過(guò)剩的問(wèn)題。以城市軌道交通供電設(shè)備可靠性和安全性為中心的狀態(tài)維修模式充分考慮供電系統(tǒng)設(shè)備的運(yùn)行可靠性因素，成為供電設(shè)備維修決策的重要考慮方向。

針對(duì)不同類(lèi)型的供電設(shè)備，監(jiān)測(cè)其一次狀態(tài)信息，結(jié)合既有系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和檢測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用科學(xué)的數(shù)據(jù)挖掘方法，掌握供電設(shè)備狀態(tài)的關(guān)鍵參數(shù)，研究運(yùn)用不同的方法建立供電設(shè)備健康狀態(tài)評(píng)價(jià)模型，開(kāi)發(fā)集合設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)、設(shè)備剩余壽命預(yù)估、設(shè)備故障率預(yù)測(cè)以及設(shè)備維修策略建議等功能于一體的設(shè)備狀態(tài)評(píng)估系統(tǒng)，改善目前城市軌道交通供電系統(tǒng)的檢修模式，具有大范圍推廣的價(jià)值。

1 供電設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)原理

城市軌道交通供電系統(tǒng)設(shè)備包括110KV GIS、33KV GIS、油浸式變壓器、干式變壓器、交聯(lián)電纜、直聯(lián)電纜、直流開(kāi)關(guān)柜、低壓開(kāi)關(guān)柜等，設(shè)備種類(lèi)較多，進(jìn)行設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)時(shí)采用的評(píng)價(jià)原理也存在差異。但基本原理都是通過(guò)各種輸入量確定設(shè)備的關(guān)鍵參數(shù)，運(yùn)用科學(xué)的方法，建立供電設(shè)備的健康狀態(tài)模型、壽命預(yù)估模型、可靠性模型，分別評(píng)判設(shè)備的健康狀態(tài)、剩余壽命和故障率。本文以油浸式變壓器為例，介紹設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)的原理。

1.1 計(jì)算繞組熱點(diǎn)溫度

油浸式變壓器繞組熱點(diǎn)溫度是指繞組中最熱的那個(gè)點(diǎn)，通常在該點(diǎn)的絕緣老化速率最快，由于該點(diǎn)的位置不便確定，因此需要通過(guò)估算的方法進(jìn)行計(jì)算。油浸式變壓器繞組熱點(diǎn)溫度可以以負(fù)載率和環(huán)境溫度作為輸入量，以油頂層溫度相對(duì)于環(huán)境溫度的溫升、熱點(diǎn)溫度相對(duì)于油頂層溫度的溫升以及加權(quán)環(huán)境溫度為輸出量：

1.1.1 油頂層溫度相對(duì)于環(huán)境溫度的溫升ΔΘTO

其中，ΔΘTO，R為額定負(fù)載下頂層油的溫升；τTO為油的時(shí)間常數(shù)；ΔΘTO，U為最終時(shí)刻的油溫升，ΔΘTO，i為起始時(shí)刻的油溫升；K為負(fù)載率，即油浸式變壓器實(shí)際電流與額定電流的比值，其中KU為最終時(shí)刻的負(fù)載率，Ki為起始時(shí)刻的負(fù)載率；R為額定負(fù)荷損耗與空載損耗的比值；x為油指數(shù)。

1.1.2 熱點(diǎn)溫度相對(duì)于油頂層溫度的溫升ΔΘH

其中，ΔΘH，U 為繞組熱點(diǎn)相對(duì)于頂層油的最終溫升；ΔΘH，R為額定負(fù)荷下熱點(diǎn)溫度與頂部油溫之差；K 為負(fù)載率，即油浸式變壓器實(shí)際電流與額定電流的比值；y 為繞組指數(shù)。

1.2 計(jì)算等效運(yùn)行時(shí)間

油浸式變壓器的絕緣壽命是指在變壓器絕緣材料溫度給定的情況下，從絕緣材料投入使用到發(fā)生電氣故障所經(jīng)歷的總時(shí)間。絕緣材料老化和時(shí)間及溫度的關(guān)系服從阿倫尼烏斯反應(yīng)原理。在服役時(shí)間T內(nèi)，變壓器可能運(yùn)行在不同的條件下。將服役期T劃分為n個(gè)區(qū)間t1， t2，…， tn，并認(rèn)為每個(gè)區(qū)間ti的繞組熱點(diǎn)溫度（℃）θH （ti）保持恒定。因此油浸式變壓器服役期T內(nèi)總的絕緣壽命損失：

計(jì)算出等效運(yùn)行時(shí)間，即可得到油浸式變壓器的壽命損失量和剩余壽命。

1.3 計(jì)算靶心度健康指數(shù)

灰靶理論是灰評(píng)估和灰決策理論，需要在沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)模式的情況下設(shè)定一個(gè)灰靶，通過(guò)灰靶變換找到靶心，然后將待評(píng)估狀態(tài)與靶心進(jìn)行比較計(jì)算靶心度，通過(guò)靶心度來(lái)判斷油浸式變壓器所處的狀態(tài)等級(jí)。用靶心度來(lái)衡量油浸式變壓器的健康指數(shù)。首先計(jì)算靶心系數(shù)：

其中，ρ為分辨系數(shù)，ρ∈[0，1]；Δ0i（k） 表示待評(píng)估序列ωi與靶心ω0之間的灰關(guān)聯(lián)差異信息。然后可得到序列ωi的靶心度：

其中，qK為各靶心系數(shù)的權(quán)值。

將油浸式變壓器狀態(tài)分為正常、輕度故障、中度故障以及嚴(yán)重故障四個(gè)等級(jí)，對(duì)應(yīng)的靶心度范圍分別為[0.6，1]，[0.5，0.6），[0.4，0.5），[0.33，0.4）。另外假設(shè)正常狀態(tài)對(duì)應(yīng)的健康指數(shù)范圍為[0.6，1]，輕度故障（預(yù)警）狀態(tài)對(duì)應(yīng)的健康指數(shù)范圍為[0.4，0.6]，中度故障（異常）狀態(tài)對(duì)應(yīng)的健康指數(shù)范圍為[0.2，0.4]，嚴(yán)重故障（警示）狀態(tài)對(duì)應(yīng)的健康指數(shù)范圍為[0，0，2]。油浸式變壓器健康指數(shù)HI和靶心度γ之間滿足分段線性關(guān)系：

基于油浸式變壓器的等效運(yùn)行時(shí)間和健康指數(shù)HI，利用阿倫尼烏斯定律和威布爾分布法，得到油浸式變壓器的故障率預(yù)測(cè)結(jié)果。

2 供電設(shè)備狀態(tài)評(píng)估系統(tǒng)的主要功能

2.1 數(shù)據(jù)獲取

供電系統(tǒng)設(shè)備較多，每種設(shè)備的有效數(shù)據(jù)分別來(lái)自不同的地方。設(shè)備的一次狀態(tài)數(shù)據(jù)通過(guò)增加傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)獲??；設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)由現(xiàn)有的供電自動(dòng)化系統(tǒng)共享獲?。辉O(shè)備的檢測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)由供電系統(tǒng)定期的檢測(cè)試驗(yàn)共享獲?。辉O(shè)備的基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)由設(shè)備出廠資料信息化獲取。

一次狀態(tài)數(shù)據(jù)包括：設(shè)備運(yùn)行溫度、壓力、微水含量等；電纜的表皮溫度；設(shè)備局部放電量、放電次數(shù)。

設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)包括：設(shè)備的電流、電壓、功率因素、有功功率、無(wú)功功率、設(shè)備位置狀態(tài)、故障報(bào)警信息等。

設(shè)備基礎(chǔ)信息和檢驗(yàn)數(shù)據(jù)包括：設(shè)備出廠檢驗(yàn)數(shù)據(jù)、設(shè)備型式試驗(yàn)報(bào)告、設(shè)備銘牌數(shù)據(jù)、設(shè)備巡檢記錄、設(shè)備故障檢修報(bào)告、設(shè)備定期實(shí)驗(yàn)報(bào)告等。

2.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

由于獲取的數(shù)據(jù)種類(lèi)眾多、數(shù)據(jù)海量、數(shù)據(jù)格式差異較大，為保證數(shù)據(jù)庫(kù)能夠有序存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、快速檢索數(shù)據(jù)，所以采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)命名規(guī)則，對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行梳理、重命名后，利用可配置壓縮精度的分段壓縮手段將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中。同時(shí)利用內(nèi)置歷史緩存和歷史預(yù)讀功能，提高數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)檢索和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)能力。

2.3 功能規(guī)劃

供電設(shè)備狀態(tài)評(píng)估系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的規(guī)劃，確保用戶在使用系統(tǒng)時(shí)能夠有良好的體驗(yàn)，如圖1所示。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)上述的設(shè)備的健康狀態(tài)、剩余壽命和故障率計(jì)算原理，結(jié)合供電設(shè)備狀態(tài)評(píng)估系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)城市軌道交通供電設(shè)備狀態(tài)評(píng)估系統(tǒng)。

在供電設(shè)備狀態(tài)評(píng)估系統(tǒng)中可以看到整條線路、整個(gè)站點(diǎn)所有設(shè)備的狀態(tài)信息概況、設(shè)備狀態(tài)占比。如圖2所示。

同時(shí)，對(duì)設(shè)備狀態(tài)評(píng)估結(jié)果的顏色進(jìn)行了規(guī)劃，有利于用戶對(duì)設(shè)備狀態(tài)評(píng)估結(jié)果進(jìn)行識(shí)別。

如圖3所示，系統(tǒng)也可以查看具體設(shè)備基礎(chǔ)信息、運(yùn)行狀態(tài)、設(shè)備的剩余壽命、設(shè)備的預(yù)計(jì)故障率、設(shè)備的評(píng)價(jià)打分狀態(tài)以及輔助的設(shè)備維修策略。用戶可以很清晰地了解設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)以及結(jié)合設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)制定高效的維修計(jì)劃。

4 結(jié)語(yǔ)

本文利用運(yùn)用阿倫尼烏斯定律、加權(quán)灰靶理論、威布爾分布法、模糊層次分析法、聯(lián)合電熱應(yīng)力模型等，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的城市軌道交通供電設(shè)備狀態(tài)評(píng)估系統(tǒng)，具有完整的設(shè)備狀態(tài)評(píng)估、設(shè)備壽命預(yù)測(cè)、故障率預(yù)測(cè)等功能，可為供電設(shè)備的維修策略提供可行性建議，有助于改善目前城市軌道交通供電系統(tǒng)以計(jì)劃?rùn)z修為主的檢修模式。且隨著智能算法應(yīng)用的深入以及設(shè)備數(shù)據(jù)的不斷積累，該系統(tǒng)的模型還可以進(jìn)行優(yōu)化修正，以便實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)評(píng)估達(dá)到更高的預(yù)測(cè)精度。

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作者單位

1.廣州地鐵集團(tuán)有限公司 廣東省廣州市 510000

2.廣州白云電器設(shè)備股份有限公司 廣東省廣州市 510000